Основные единицы измерения и их эталоны.

Метр – единица длины метрической системы мер.

Согласно первому определению, принятому во Франции в 1791 г., метр был равен 1· 10^-7части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определен на основе геодезических и астрономических измерений Жана Деламбра и Пьера Мешена. Первый этап метр был изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством французского физика и геодезиста Жана Шарм Борда в 1799 г. в виде концевой меры длины – платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единицы длины. Он получил наименование «метр архива» или «архивный метр». Однако, как оказалось, определенный таким образом метр не мог быть вновь точно воспроизведен из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геодезических измерений.

В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины и о принятии архивного метра в качестве исходной меры длины. По нему был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры длины – бруса из сплава Pt(90%) –Ir(10%). Поперечное сечение эталона имеет формуX, придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нанесено по 3 штриха. Расстояние между осями средних штрихов определяет при 0⁰С длину метра. Эталон № 6 оказался равным архивному метру. Постановлением 1-й Генеральной конференции по мерам и весам этот эталон, получивший обозначение , был принят в качестве международного прототипа метра.

Прототип метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. Во всесоюзном научно – исследовательском институте им Д.И. Менделеев (ВНИИМ) в Санкт – Петербурге хранятся две копии № 11 и № 28. международного прототипа метра. При введении метрической системы мер в СССР (1918) государственным эталоном метра была признана копия № 28. международный прототип метра, погрешность которого 1· 10^-7, и национальные прототипы обеспечивали поддержание единства и точности измерений на необходимом для науки и технике уровне в течение десятков лет.

Однако рост требований к точности линейных измерений и необходимость создания воспроизводимого эталона метра стимулировали исследование по определению метра через длину световой волны. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам (1960) приняла новое определение метра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ) : «Метр – длина, равная 1630763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 p¹⁰b5d⁵атома криптона – 86». Для обеспечения высокой точности воспроизведения метра в международной спецификации строго оговорены условия воспроизведения первичного этапа излучения. Монохроматическое излучение, соответствующее оранжевой линии криптона, создается специальной лампой, заполненной газообразным криптоном – 86. Свечение газа возбуждается генератором высокой частоты 100-200 МГц, во время работы лампу охлаждают до температуры тройной точки азота (63 К). Лампу устанавливают перед интерферометром, на котором измеряют концевые и штриховые меры в длинах световых волн.

Во ВНИИМе создан эталонный интерферометр, позволяющий измерять меры длины до 100 мм со средним квадратическим отклонением, не превышающим 3· 10^-8.

В 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято современное определение метра: «Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме 1/ 299792458 долю секунды».

Килограмм – единица массы.

Килограмм равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов.

При создании в 18 в. метрической системы мер килограмм был определен как масса 1 дм³воды при температуре ее наибольшей плотности (4⁰С), однако прототип килограмма в 1799 г. был выполнен в виде цилиндрической гири из платины. Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 г. больше массы 1 дм³воды. В 1889 г. было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа килограмма была утверждена гиря со знакомА (готическое К), изготовленная из платиновоиридиевого сплава (10%Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм. Из 40 изготовленных копий прототипа две (№12 и №26) были переданы России. Эталон №12 принят в СССР (России) в качестве государственного первичного эталона единицы массы, а №26 – в качестве эталона-копии.

Между массой и весом тел долгое время различий не делали, поэтому килограмм использовался не только как единица массы, но и как единица веса (сила тяжести). Разграничение единиц массы и веса было установлено на 3-й Генеральной конференции по мерам и весам (1901 г.), в резолюции которой было подчеркнуто, что вес тел равен произведению его массы на ускорение свободного падения, и было установлено понятие нормального веса и нормального ускорения свободного падения (980,665 см/сек²). С этого времени была введена отдельная единица силы и веса – килограмм – сила. Этот же принцип сохранен в Международной системе единиц, в ней для измерения силы принята единица ньютон.

Хотя килограмм не относится к единицам, определяемым через неизменные константы, взятые из природы, то есть его прототип является не воспроизводимым, по точности (относительная погрешность сличения с прототипом не превышают 2· 10^-9). Он удовлетворяет запросам современной науки и техники.

Секунда– единица времени.

На 13-й Генеральной конференции по мерам и весам (1967) принято следующее определение секунды: «Секунда – время, равная 9192631770 периода излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия ¹³³Cs». Определяемая таким образом секунда называется атомной. Она воспроизводится с помощью цезиевых эталонов частоты и времени, позволяющих определить частоту излучения атомов цезия¹³³Csпри переходе между двумя фиксированными энергетическими уровнями.

Наряду с атомной секундой в астрономии и ряде других наук применяется астрономическая секунда, размер которой связан с периодами обращения Земли вокруг Солнца, она определяется на основании астрономических наблюдений. Эта секунда называется эфемеридной. За эфемеридную секунду принята 1/31556925,9747 доля тропического года на 0 января 1900 года в 12 часов эфемериадного времени (т.е. года, начавшегося в полдень 31 декабря 1899г.). Точная дата в определении секунды указывается в связи с тем, что тропический год сам не является постоянным. До введения эфемеридной секунды (1956г.) эталоном времени служила секунда, определяемая как 1/86400 доля средних солнечных суток. Однако она не была достаточно стабильной из-за неравномерности вращения Земли. Введение эфемеридной, а затем атомной секунды позволило на несколько порядков повысить точность воспроизведения атомной секунды цезиевым эталоном составляет около 10^-12.

Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. До 1968г. именовалась градус Кельвина. Названа в честь английского физика Уильяма Томсона (Кельвина). Применяется как единица Международной практической температурной шкалы.

1 К равен 1⁰Цельсия. 1⁰Цельсия равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0⁰С, кипения воды – за 100⁰С. предложена в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андерсом Цельсием.

В 1968 г. Международным комитетом мер и весов была установлена Международная практическая температурная шкала (МПТШ – 68) на основе 11 первичных воспроизводимых температурных точек (от тройной точки равновесного водорода 13,81К до точки затвердевания золота 1337,58К).

Промежуточные точки МПТШ – 68 воспроизводятся по интерполяционным формулам, устанавливающим связь между температурой и термометрическими свойствами приборов, этолонированных по этим точкам.

В диапозоне между 13,81К и 630,74⁰С в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления, в диапозоне 630,74⁰С – 1064,43⁰С термопару с электродами платинородий (10%Rh)- платина. Выше 1337,58К (1064,43⁰С) – с помощью закона излучения Планка. В области низких температур от 0,3 до 5,2К определяют по упругости паров жидкого⁷He; еще более низкие – термометрами сопротивления (угольными, германиевыми из сверхпроводящих сплавов и другими) и магнитными методами.

Ампер –единица силы электрического тока. Названа в честь А. Ампера.

С момента введения ампера в качестве единицы силы тока (1881г., 1-й Международный конгресс электриков) его определение претерпело ряд изменений. Вначале ампер был определен как сила тока, который протекает по проводнику сопротивления 1Ом при разности потенциалов на концах проводника в 1В. При этом вольт определятся как 10⁸, а Ом – как 10⁹соответствующих единиц электромагнитной системы СГСМ.

Трудности практического воспроизведения теоретически установленных абсолютных электрических единиц привели к введению международных электрических единиц (1893 г.), основанных на вещественных эталонах. Международный ампер был определен как сила не изменяющегося электрического тока, который, проходя через водный раствор азотокислого серебра, выделяет 1, 11800 мг серебра в 1 сек. Прогресс, достигнутый затем в области электрических измерений, позволил отказаться от вещественного эталона ампера (с 1948г.) В международной системе единиц ампер определяется через механическое взаимодействие двух токов: «Ампер есть сила не изменяющегося тока, который, будучи поддерживаем в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстоянии 1м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2· 10^-7единицы силы системы МКС на 1м длины». Ампер воспроизводится с помощью так называемых токовых весов, или ампер – весов, которые позволяют с высокой точностью определить силу механического взаимодействия двух катушек с током, а следовательно, и значение силы тока.

Моль – единица количества вещества. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (частиц), сколько атомов содержится в нуклиде углерода¹²С массой 0,012 кг (точно), (т.е. 6,022· 10²³). Решением 14-й Генеральной конференции по мерам и весам (1971 г.) моль введен в Международную систему единиц в качестве 7-й основной единицы.

Кандела –единица силы света. Кандела – сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м³сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре, равной температуре затвердевания платины (2042 К) при давлении, равном 101325 Па. Первичный световой эталон единицы силы света – канделы, постоянный и воспроизводимый на основе законов теплового излучения, осуществлен в виде обладающего свойствами абсолютно черного тела так называемого полного излучателя при температуре затвердевание платины: огнеупорна трубочка изThO₂погружен в металл, разогреваемый токами высокой частоты. Этот световой эталон разработан в США, принят по международному соглашению 1 января 1948 г. и осуществлен в 8 национальных лабораториях.